粉末增材制造技术在掺铒石英光纤激光器中的应用研究

    在光纤通信、激光加工及生物医疗等关键领域，高性能光纤激光器的需求持续攀升，而增益光纤作为其核心构成部件，其制造工艺直接决定器件的性能水平。传统制造方法虽能生产高质量增益光纤，但存在生产周期冗长、成本高昂及成分调控灵活性不足等显著局限。近期，PawelManiewski等人在《Optica》期刊发表的研究成果，提出了一种基于粉末增材制造的新型制备方案，为高性能增益光纤的研发开辟了全新路径。

    传统工艺的突破：粉末增材制造的创新路径
    增材制造（亦称3D打印）凭借材料利用率高、生产周期短等优势，已在多个领域展现出巨大潜力，然而在高纯度石英玻璃这类光学材料的制造中仍面临技术挑战。研究团队创新性地采用激光粉末沉积技术，成功制备出可应用于光纤激光器的掺铒石英增益光纤，整个制备过程分为以下四个关键步骤：
    1.激光粉末沉积制棒：将气相二氧化硅（作为玻璃基体材料）、氧化铝（用于折射率调控）和氧化铒（提供增益特性）的亚微米粉末混合均匀，通过激光粉末打印头送入打印室。利用波长为10.6μm的二氧化碳激光（功率47W）在石英基板上形成熔池，同步熔化注入的粉末，最终打印出外径1.2mm的实心玻璃圆柱体（铒铝共掺棒），该棒体体积致密，成分均匀性优异。
    2.预制棒组装：将打印所得的掺杂棒套入纯石英管中，经过折叠、锥形化处理，形成外径6mm、芯径200μm的预制棒，为后续光纤拉制奠定芯包层结构基础。
    3.光纤拉制：将预制棒置于激光拉丝塔中，以20m/min的速度拉制成外径125μm的光纤，纤芯直径约4.2μm，外层涂覆紫外固化高折射率硅树脂，以确保其光学性能的稳定性。

    材料与性能验证：高质量增益光纤的核心特性分析
    要成为合格的增益光纤，材料均匀性、光学特性及激光性能是核心验证指标。研究团队通过多项实验，对该方法制备的光纤质量进行了全面验证：
    成分均匀性：采用能量色散光谱仪（EDS）分析显示，打印棒不同部位的铝浓度偏差小于0.3wt%，铒离子沿光纤长度方向分布均匀。紫外可见透射光谱中，380nm、520nm、650nm处出现铒离子的特征吸收峰，证明稀土离子未发生团聚或淬灭现象。
    光学传输特性：光纤在1342nm（铒离子吸收带外）的背景损耗低于1dB/m，976nm泵浦波长处损耗为17.3dB/m，1530nm信号波长处损耗为23.9dB/m，其低损耗特性满足激光放大的应用需求。通过测量输出发散角估算得出数值孔径约0.103，可确保实现横向单模操作。
    激光性能：以35cm长的光纤作为增益介质，利用光纤劈裂端的菲涅耳反射（反射率约3.5%）形成激光腔，在976nm激光二极管泵浦下，于1532nm处实现激光发射。实验测得激光阈值为47mW，最大输出功率4.5mW，斜率效率达9.4%。与传统方法制备的7米长光纤（斜率效率6.3%）相比，该光纤在短长度下仍表现出高效的增益特性。此外，铒离子上态寿命达8.4ms，进一步印证了材料的高质量。

    未来展望：从实验室研究到产业化应用的潜力
    此项研究的意义不仅在于成功制备出高性能掺铒光纤，更核心的价值在于证实了粉末增材制造技术在复杂光学材料制备中的可行性：
    材料调控灵活性：该方法可便捷扩展至其他稀土氧化物（如掺镱、掺钕等）的制备，通过调整粉末成分能够快速优化纤芯配方，大幅缩短新型光纤的开发周期，降低研发成本。
    工艺优化空间：目前30%的粉末利用率仍有较大提升空间，未使用的粉末可回收再利用。未来通过改进打印头设计、减少阴影效应等方式，有望进一步提高工艺效率。
    应用场景拓展：除光纤激光器外，该技术还可应用于特种光纤、集成光学器件等产品的制造，为光子学领域提供更多低成本、定制化的解决方案。
    从传统熔融淬火到激光粉末沉积，增益光纤的制造正朝着“精准调控、快速迭代”的方向迈进。这项研究不仅是增材制造与光学材料交叉领域的重要突破，更为高性能光子器件的产业化发展开辟了一条兼具创新性与经济性的新路径。